人工智能教育机器人控制系统开发

本文面向人工智能普及教育的迫切需求，以类人机器人教具为载体，开发了机器人控制系统，包括总体方案、整机运算控制器、舵机及控制器、机器人摄像头、语音控制模块、遥控模块和电源模块的选型配置原则和过程。该控制系统应用于类人机器人套件，能够实现机器人运动控制、语音控制等功能，为人工智能普及教育提供了具象化实例。以机器人方位角的跟踪控制验证了本文的控制系统具有良好的实际使用效果。

十九大报告指出：我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。建设现代化经济体系，要以人工智能融合实体经济培育出的增长点推动先进制造业加快发展[1]。人工智能的创新普及是我国实现后来居上、迈入制造强国的重大历史机遇[2]。依据国务院《新一代人工智能发展规划》[3]和教育部《义务教育小学科学课程标准》(简称《标准》) [4]，人工智能的普及教育要从娃娃抓起。如今世界各国的青少年科学教育都在发生剧烈、深刻的变革。美国的K-12 科学教育框架和2014 年提出的新一代美国科学教育标准[5]、英国经过3 年修订后于2014 年实施的小学国家课程学习纲要[6]、日本六次修订小学科学课程标准[7]、新加坡2014 年颁布的以“为明天做准备”为目标的小学科学课程大纲，无不面向各自国家和地区的内在教育需求、努力让小学生适应未来的科技社会[8]。2017 年教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》强调，科学探究与交流过程是在真实的问题情境中基于问题解决的学习过程[9]。而《标准》指出“小学科学课程对培养学生科学素养发挥了重要作用”，但在实践中存在时代性有待增强的问题：课程内容选择缺乏现代科学的宏观视野、活动设计不能充分体现科学实践的基本特征、目标定位与儿童认知特点和发展需求不相适应。将人工智能以科学研究的方式引入小学课堂，将深刻的科学原理以通俗易懂的方式进行科普化体现和科研式实操，是保证小学科学课程的时代性、提高人民对教育满意度的强有力措施[8]。

以人类自身的形体结构和智力为原型参照的类人机器人是人工智能领域最典型代表[10]。

也是针对小学科学课程来说，容易引发学生兴趣且科技含量较高的教具。本文开发了类人机器人教具的控制系统， 使得类人机器人作为通过观察、比对、测量、记录、组装、搜索、体验、思考、研讨、编程、调试、创作等课堂行为完成机器人通识、机器人搭建、机器人感知、机器人学习、机器人控制等课程模块，传播机器人的无线遥感、语音交互、目标识别、路径规划、轨迹跟踪、运动控制等的科学道理与实现方法， 进而设计机器人踢足球、跳舞、救援、搬运、竞速、寻迹、答题等项目赛事，有效培养和充分发挥小学生的科技创新潜力，全面实现《标准》和《规划》提出的人工智能普及教育和科普创作目标。

2. 类人机器人教具控制系统设计 2.1. 总体方案配置 本文设计的类人机器人教具采用树莓派微型计算机、舵机控制卡、摄像头、语音识别模块配合麦克风、遥控器、语音识别模块配合喇叭、陀螺仪、加速度计、罗盘传感器、舵机、直流电源等模拟人的大脑、神经系统、眼、耳、口、身体平衡、四肢关节、心脏等感官和器官，实现机器人整机运算控制、机器人肢体运动控制、机器人目标识别、机器人识别外部指令接收、机器人应答外部指令、机器人姿态解